液晶与显示｜液晶显示用量子点扩散板的研究进展

本文由论文作者团队（课题组）投稿

量子点技术是当前液晶显示领域最热门的技术之一，量子点的窄发射特性使其能获得更明艳的色彩和更广的色域，契合液晶显示器（LCD）未来发展方向。传统扩散板可柔化光线，使出光面亮度均匀分布，在此基础上加入量子点的扩散板还具备色彩重新定义和改善色彩呈现能力的特性。量子点扩散板作为传统扩散板与新兴量子点技术的结合应用，是LCD在与OLED的竞争中的有力武器。

近日，福州大学、闽都创新实验室、TCL电子有限公司的联合研发团队在《液晶与显示》（ESCI、Scopus，中文核心期刊）2023年第3期“量子点液晶显示应用技术”专栏发表了题为“液晶显示用量子点扩散板的研究进展”的综述文章。

文章简要概述了液晶显示中扩散板的研究进展，同时着重介绍了自主制备的多层结构量子点扩散板，对其光学性能与稳定性进行了测试评估，展现了量子点扩散板带来的均匀性和色域提升的重要意义及其在LCD中的应用前景。

▎引言

当前， LCD的背光结构主要分为侧入式及直下式两种，而直下式背光一般采用Mini-LED与量子点色彩增强膜相结合的方式，具体结构如图1所示。背光模组为液晶模块供光，通过调节液晶层的光线透过率来控制各分区显示画面的明暗。标准的LED的在出光面上呈朗伯分布，其在作为背光源时会造成画面明暗不均的问题，影响视觉体验。虽然通过改变LED的光线分布可提升出光面亮度均匀性，但在没有扩散板的情况下，仍很难做到完全均匀。扩散板的透光率和雾度影响着出光亮度与均匀性，关乎着最终成像的好坏。为达到更好的显示效果，背光模组需满足高亮度、高均匀性、广色域、可局部调光等要求。

图1：基于Mini-LED和量子点膜的直下式背光LCD结构示意图
图源：液晶与显示，2023, 38(3):304-318.

▎液晶显示用扩散板概述

众所周知，光线在经过折射率不同的介质时会发生折反射。因此，通过扩散板的表面微结构或散射粒子等使之发生散射，可提升出光均匀性。根据光散射原理的不同，扩散板主要分为表面微结构型扩散板与粒子散射型扩散板两种。

• 表面微结构型扩散板

表面微结构型扩散板的表面具有周期性微结构，如微透镜阵列、自由曲面微结构、棱柱结构等。这些微结构引起的折射率差异使光线向不同方向折射，从而改变光分布，获得高照度均匀性。2021年，MA等人采用模板辅助热聚合法制备了一种仿生扩散膜，制备过程如图2所示。该扩散膜的锥形纳米波纹层次结构使其具备优秀的防污性能，同时能在宽波长范围内满足高透光率、高雾度的要求。

图2：聚合物上微碗状结构和锥形纳米波纹层次结构的制造过程示意图
图源：液晶与显示，2023, 38(3):304-318.

此外，由斑点曝光形成的全息扩散片也是表面微结构扩散板的一种，其具有显示效果细腻、透光率高及散射光角度可控的优点。传统全息扩散片微结构高度概率密度呈高斯分布，视场角受限，若提高光散射角又将导致亮度损失。为解决此问题，2021年，Yang等人使用光刻胶作为全息记录介质，磨砂玻璃作为粗糙表面。如图3所示，制备了具有散射斑场表面微结构的全息扩散片。这种扩散片具有高能量效率的平顶式散射光强分布，可提高亮度均匀性及显示亮度，适用于LCD背光领域。

图3：曝光记录实验示意图
图源：液晶与显示，2023, 38(3):304-318.

• 粒子散射型扩散板

粒子散射型扩散板具有结构简单及扩散光线均匀等优点，一般以PC、PMMA、PS等聚合物作为基材，光扩散剂种类涵盖有机/无机物颗粒、聚合物微球及核壳结构微球等。扩散剂种类与用量都影响扩散板的性能，浓度过高的扩散粒子能提升扩散板对光线的散射性能，但也将致使透光率下降，影响光效。除了纯散射颗粒外，光线在经过核壳结构微球时的散射次数增加，这能拓宽扩散板的视场角。因此，核壳结构微球也适于作为扩散剂使用，在这方面也有许多研究，如SiO₂/CeO₂/poly（VTMS）微球、ZrO₂@PMMA@ polysiloxane微球等。2020年，Son等人提出了一种具有梯度折射率的单核双壳SiO₂/TiO₂/PMMA纳米颗粒。如图4（左）所示，对比纯SiO₂粒子，这种单核双壳纳米颗粒的光散射性能更为优异。值得注意的是，大多数核壳结构的核心材料不透明，使扩散板的透光率受影响。中空粒子则在实现高透光率与轻量化具有优势。如图4（右）所示，与中空粒子类似的，发泡型混合扩散膜通过在膜内形成气泡，替代增加光程微球的作用，气泡的中空结构，减少了光能损失。

4：纯SiO₂与SiO₂/TiO₂/PMMA双层纳米颗粒的漫反射光谱；发泡混合薄膜示意图
图源：ACS Applied Materials & Interfaces, 2020,  12(27): 30862-30870.fig.3；液晶与显示，2023, 38(3):304-318.

此外，表面聚合物微粒薄膜、聚合物液晶复合膜等在作为扩散膜的应用方面也有许多研究， 2022年，Kumari等人制备了一种聚合物微粒填充液晶薄膜（Polymer Microsphere-Filled Liquid Crystals，PFLCs），通过施加外加电场可控制其散射状态，如图5所示。聚合物液晶复合膜的透光率受电场控制的特性，使其状态可切换，为扩散膜的多功能应用提供了新思路。

图5： (a) 制备的PFLC样品模型；(b) 施加电场后样品的关闭状态和(c)开启状态
图源：ACS Applied Polymer Materials, 2022,  4(1): 64-73.fig.6

▎量子点扩散板在LCD中的应用

量子点光致发光技术在LCD背光中的应用已很成熟，并发展有多种嵌入方案如QD on chip、QD on edge、QD on surface及QD on plate等。市场上量子点液晶电视的色域有了明显提升，获得了更佳的视觉体验。然而，稳定性问题仍是量子点应用于LCD的“拦路虎”之一。量子点温度、水、紫外光及氧气等条件都相当敏感，极易在环境中发生荧光猝灭。将量子点封装入聚合物或玻璃陶瓷中是进一步提升量子点的环境稳定性的有效方式。2021年，Chen等人通过注塑成型的方法将量子点嵌入PC基材中，制备了一种量子点导光板（Quantum Dot Light Guide Plate，QD-LGP），满足QD on plate的结构。其发光特性与传统导光板略有不同，从边缘入射的蓝光光线将同时被量子点吸收和散射，在传播过程中不断转换消耗，直至消失殆尽，效果如图6所示。这种光线损耗意味着在制备时，不同位置的量子点浓度需要被精准控制。因此，对于大尺寸显示器，采用量子点扩散板的直下式入光方式仍是更好的解决方案。

图6：QD-LGP的光发射和强度衰减示意图
图源：液晶与显示，2023,  38(3):304-318.

量子点扩散板属于粒子散射型扩散板，具备散射光线的特性。通常量子点扩散板以PMMA及PS等聚合物作为基体，通过熔融挤出工艺制备，量子点均匀地分散其中。与量子点膜相比，量子点扩散板省去了昂贵的阻隔膜，聚合物基体有助于减少量子点团聚现象，进一步提升量子点的稳定性。量子点扩散板背光结构如图7所示，从上至下包括棱镜膜、量子点扩散板、蓝光Mini-LED阵列等。对比图1与图7可知，量子点扩散板产生亮度均匀白光的基本工作原理与量子点膜类似，都具有优秀的色彩表现力。量子点扩散板将量子点膜与扩散板合二为一，兼具色转换及散射特性，简化了背光结构。因此，在大中型尺寸电视的制造中，量子点扩散板相较于量子点膜结构更具优势。

图7：量子点扩散板背光结构示意图
图源：液晶与显示，2023, 38(3):304-318.

当前用于扩散板中的量子点多为II–VI族半导体量子点，近来钙钛矿量子点由于合成简单、宽色域、光谱可调等优点，在显示领域的研究受到追捧。但其稳定性同样是限制了它的应用的难题之一。目前，已证明通过配体修饰、离子掺杂、包覆等手段可有效改善其稳定性。针对钙钛矿水氧稳定性弱的问题，已开展了大量研究。在不断的性能优化下，钙钛矿量子点展现在背光显示中的巨大应用前景。与聚合物结合后，钙钛矿量子点在扩散板中的应用也值得被进一步探索。

▎多层量子点扩散板的制备与测试

• 多层量子点扩散板的制备

多层结构量子点扩散板（Multi-Layer Structured Quantum Dot Diffuser Plate，QD-DP）采用多层熔融共挤的方法，所制备的QD-DP形似三明治，中间为混合量子点的PMMA层，红绿量子点在其中均匀分布，具有光散射及色转换功能。上下为纯PMMA层，其良好的耐水氧性，可对量子点进行有效保护。图8所示为量子点母粒的制作工艺流程。量子点溶液与PMMA母粒混合，在双螺杆造粒机在220℃~245℃的温度下将混合物熔融挤出条状物，经冷却切割后即可得到量子点母粒。得益于核壳结构量子点及PMMA层的保护，量子点母粒能保持相当好的稳定性。

图8：量子点母粒制造过程
图源：液晶与显示，2023,  38(3):304-318.

QD-DP的具体制备过程如图9所示。熔融后的材料由三台挤出机同时挤出，并模压成一块完整的多层扩散板。QD-DP的成分及尺寸可自由调节，厚度通过滚轴的间距控制，制备工艺具有很高的灵活性。经过高温熔融混合过程后，量子点可被充分分散功能层中。经测量，QD-DP的镉含量约为25ppm，符合欧洲标准的低镉标准（<100 ppm）。因此，在环保要求上，量子点扩散板较量子点膜同样具有一定优势。在成本方面，较低量子点浓度可进一步降低制造成本，有利于QD技术向中低端显示产品渗透。

图9：三层熔融共挤出制备多层QD-DP的过程示意图
图源：液晶与显示，2023, 38(3):304-318.

• 性能测试

对于量子点背光器件，色转换性能应被首要关注。QD-DP在蓝照射下的光致发光效果图如图10所示。从背光点亮图中可以看出，Mini-LED发出的光线，经过板内的扩散粒子及量子点的散射后均匀出射。采用九点法测量其出光面亮度，均匀性高于80%。为了验证其荧光特性，使用光谱仪测试了工作时QD-DP的归一化白光光谱，蓝/绿/红光的半峰宽分别小于20nm/25nm/25nm，色域覆盖率达到了DCI-P3标准的99.58%，符合高色域显示的要求。

图10：QD-DP的背光光谱图、侧视图、背光点亮图及在CIE1976坐标系下的色域图
图源：液晶与显示，2023,  38(3):304-318.

除了色彩表现力外，扩散板的稳定性同样重要。为此，对所制备的QD-DP样品进行了老化测试，结果如图11(a)所示。在高温高湿（60℃/90%）的环境中储存2500h后， QD-DP亮度及色坐标波动小于10%，极端环境未对板内量子点造成明显影响。这归功于三层结构中的PMMA层可隔绝水氧，极大程度的减少了内部的量子点猝灭。在45℃/85％的条件下对三块QD-DP样品进行蓝光照射老化实验，如图11(b)所示，该QD-DP的有效工作寿命（T95）超过了1000小时。这一方面是因为量子点被均匀分散在扩散板中，避免了由于LED长时间工作后产生的高温对量子点寿命的影响。总之，QD-DP的三层结构可隔绝板内量子点与环境中的水氧接触，降低量子点的猝灭失活概率，从而提高其工作稳定性与使用寿命。另外，QD-DP的性能与量子点膜产品相当，且其生产工艺简单，易于实现大规模生产，在大中型尺寸显示的应用中更具竞争力。

图11：（a）QD-DP的高温高湿储存测试数据 (b) QD-DP在蓝光照射下的光衰特性曲线
图源：液晶与显示，2023,  38(3):304-318.

▎总结

量子点扩散板属于粒子散射型扩散板，兼具色转换与匀化光线的作用，可以替代商业化的量子点膜结合传统扩散板的方案。量子点扩散板结合Mini-LED的区域调光技术后，即可获得高对比度和精准的色彩还原。且对比量子点膜方案，量子点扩散板具有一体成型的结构，省去昂贵的阻隔膜，可大幅降低成本。此外，多层结构的量子点扩散板（QD-DP），具有上下PMMA保护层，板内量子点的稳定性可得到有效增强，其色转换性能亦符合高色域显示的要求。

总之，量子点扩散板的制备工艺简单、成本低廉，加之与量子点膜相当的显色性能，是极具潜力的LCD高色域背光方案。目前， TCL、海信等厂商的量子点电视产品中，采用量子点扩散板的方案已实现批量稳定出货，并受到越来越多用户的认可。随着众多厂商的纷纷加入，量子点扩散板在中低端产品的市场份额有望进一步提升。未来预计QD的稳定性可能会进一步增强，其结构可进一步简化并扩展应用场景。

| 论文信息 |

叶道春, 谢洪兴, 李思杰, 季洪雷, 许怀书, 李阳, 孙磊, 陈恩果, 徐胜, 叶芸, 严群, 郭太良.液晶显示用量子点扩散板的研究进展[J]. 液晶与显示, 2023, 38(3):304-318.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0318

| 通讯作者简介 |

陈恩果，福州大学/闽都创新实验室教授、博导，主要从事光电显示技术方面的研究，涵盖材料制备、器件工艺、光学设计仿真、系统应用，涉及AR/VR近眼显示、微显示与微投影、量子点发光与显示等。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目等项目，发表论文100余篇，授权国家发明专利50余件。
E-mail：ceg@fzu.edu.cn

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